JP2019111615A - 物品把持装置、物品把持システム - Google Patents

Abstract

【課題】把持対象物たる物品に対する接触面積を大きくすることで、当該物品を安定して把持することが可能な把持技術を提供する。【解決手段】実施形態によれば、把持本体１０と、吸着機構１１と、挟持機構１２と、を有し、挟持機構は、物品の一方側に接触させる挟持アーム１４ａ,１４ｂと、物品の他方側に面状に接触させる平板状の挟持プレート１５と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、把持対象物たる物品を把持する把持技術に関する。

現在、例えば、物流倉庫や工場のラインでは、人手に代わり、ロボットアームの先端に取付けられた物品把持装置によって、多様な物品のピックアップないし仕分け及び移動など各種の作業が行われている。この場合、物品把持装置は、物品を吸着して支持可能な吸着機構と、吸着した物品を両側から挟み込んで支持可能な挟持機構と、を有している。かかる構成において、挟持機構は、挟持機能を有する複数の挟持アームを備え、これら挟持アームは、それぞれ、人の指（爪）に類似した輪郭形状を有している。

特開平８−３１８４８８号公報 特許第４７０８４６４号公報 特開２０１４−１４４５２６号公報

ところで、上記した挟持アームでは、物品に対する接触面積が小さいため（言い換えると、接触面積を大きくするには限界があるため）、物品の種類（例えば、輪郭形状、重量）によっては、物品を安定して支持することが困難になってしまう虞がある。この場合、物品に対する挟持アームの接触面積を大きくすることも考えられるが、そうすると、当該挟持アーム自体が大型化して重くなり、その結果、挟持動作への追従性及び応答性を一定に維持することが困難になってしまう虞がある。

本発明の目的は、把持対象物たる物品に対する接触面積を大きくすることで、当該物品を安定して把持することが可能な把持技術を提供することにある。

実施形態によれば、把持本体と、吸着機構と、挟持機構と、を有し、挟持機構は、物品の一方側に接触させる挟持アームと、物品の他方側に面状に接触させる平板状の挟持プレートと、を備える。

一実施形態に係る物品把持システムの仕様（上面吸着把持）状態を示す斜視図。 一実施形態に係る物品把持システムの仕様（側面吸着把持）状態を示す斜視図。 物品把持システムに適用された物品把持装置の斜視図。 上面吸着把持状態における物品把持装置の斜視図。 側面吸着把持状態における物品把持装置の斜視図。 曲面輪郭を有する物品の把持状態を示す斜視図。 吸着プロセスを示す斜視図。 吸着した物品の引出プロセスを示す斜視図。 把持機構の展開プロセスを示す斜視図。 把持プロセスを示す斜視図。 側面吸着把持状態における力の作用状態を示す側面図。 上面吸着把持状態における力の作用状態を示す側面図。 物品把持システムに適用された制御回路のブロック図。 物品把持システムの動作を示すフローチャート。 上面吸着把持を実行するためのフローチャート。 側面吸着把持を実行するためのフローチャート。 吸着把持した物品をリリースするためのフローチャート。

以下、本発明の一実施形態に係る物品把持システムについて説明する。
図１〜図２には、多種多様な物品Ｐのピックアップないし仕分け及び移動など各種の作業（例えば、荷降ろし作業、荷積み作業、ピッキング作業）を行うための物品把持システム１が示されている。物品把持システム１は、物品把持装置２と、物品検出装置３と、ロボットアーム４と、制御装置５と、を有している。

物品把持装置２は、物品Ｐを把持可能に構成されている。物品把持装置２の詳細は後述する。また、制御装置５は、後述する各種のセンサから得たデータに基づいて動作計画を作成し、該動作計画に基づいて統括的に制御する。例えば、各種のセンサ１３ａ,１９ａ,１９ｂ,２０,２３,や駆動軸１７ａ,１７ｂ,２１、並びに、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２、コントローラ９、認識部８、物品検出装置３、バルブ１３ｂ、コンプレッサ１３ｃ、真空発生器１３ｄなどを制御する。なお、制御装置５は、ロボットアーム４を支持するアーム支持台４ｐの内部に設置されている。

物品検出装置３は、集積領域に集積された多種多様な物品Ｐを検出可能に構成されている。図１〜図２では一例として、矩形状の輪郭を有する物品Ｐが示されているが、これに限定されることは無く、例えば図６に示すような球形状や多角形状、両側が湾曲した変則的立体形状など、各種の輪郭形状を有する物品Ｐが含まれる。

集積領域における物品Ｐの集積状態として、図１〜図２では、複数の物品Ｐを整然と積層させているが、これに限定されることはなく、例えば、ばら積みにしてもよい。ばら積みの場合、各物品Ｐに対する把持方向は、上方（鉛直方向）や側方（水平方向）に限らず、斜め方向から把持する仕様も考慮される。

集積領域の構造として、図１〜図２では、物品収容器７が示されているが、これに限定されることはなく、例えば、机、コンベヤベルト、棚などを集積領域に設置することができる。更に、集積領域では、複数の物品Ｐを集積させるだけでなく、単体の物品Ｐを載置させてもよい。

物品検出装置３としては、例えば、市販のＲＧＢカメラを適用することができる。ＲＧＢカメラは、３つの独立したＣＣＤセンサを備え、３色（赤、緑、青）のカラー信号を個別に集録可能に構成されている。これにより、集積領域に集積された物品Ｐの状態（例えば、形状、大きさ、位置、姿勢、３Ｄカメラから各物品Ｐまでの距離など）を高精度に検出することができる。

物品検出装置３としては、上記したＲＧＢカメラ以外に、例えば、３Ｄカメラ、その他の光学センサを適用してもよい。３Ｄカメラを適用する場合には、得られた点群データを処理することで、各種物品Ｐの切り分けと、切り分けられた各物品Ｐの形状、位置、姿勢、３Ｄカメラから各物品Ｐまでの距離などの認識を行うことができる。

ここで、物品検出装置３によって検出された各種情報（例えば、上記した物品Ｐの状態などの検出結果）は、認識部８によって画像処理が施され、後述する制御装置５に送信される。この場合、認識部８としては、例えば、市販のコンピュータを適用することができる。制御装置５は、かかる認識部８を介して取得した各種情報（例えば、物品Ｐの状態など）に基づいて、後述する物品把持装置２やロボットアーム４の動作を制御する。

なお、物品検出装置３は、集積領域の各種物品Ｐの全体又は一部を、その視野に収めるように設置することが好ましい。この場合、物品検出装置３は、例えば、上記した物品収容器７、或いは、後述する物品把持装置２やロボットアーム４に設置してもよいし、物品把持システム１が構築される施設に設置してもよい。

ロボットアーム４は、物品把持装置２を取付可能な取付ユニット４ｆを有している。ロボットアーム４は、コントローラ９（制御装置５）によって制御されている。図面では、ロボットアーム４の一例として、アーム支持台４ｐ上に構築された第１軸〜第６軸から成る６軸ロボットが示されている。なお、取付ユニット４ｆの詳細は後述する。

この場合、上記した物品検出装置３の検出結果（各種情報）に基づいて、コントローラ９が、ロボットアーム（６軸ロボット）４の各軸の回動を制御し、取付ユニット４ｆを任意の方向に移動・回動させる。これにより、取付ユニット４ｆに取付けられた物品把持装置２の位置や姿勢、３Ｄカメラから各物品Ｐまでの距離などが制御される。この結果、物品把持装置２を物品Ｐに対して接近或いは離間させることができる。

かくして、集積領域に集積された各物品Ｐに対して、物品把持装置２を、図１に示すような上方（鉛直方向）から接近させて把持させる制御を行ったり、或いは、図２に示すような側方（水平方向）から接近させて把持させる制御を行ったりすることができる。
一例として、図４には、後述する物品把持装置２（吸着機構１１、挟持機構１２）によって、上方（鉛直方向）から物品Ｐを把持した状態が示され、図５には、側方（水平方向）から物品Ｐを把持した状態が示されている。そして、図６には、後述する挟持機構１２によって挟持される両側面が湾曲した物品Ｐの把持状態が示されている。

ここで、図１〜図２に示すように、ロボットアーム（６軸ロボット）４は、ベース４ａに設けられた第１軸Ａ１を中心に回動可能なアーム本体４ｂと、アーム本体４ｂ先端の第２軸Ａ２を中心に回動可能な第１中継アーム４ｃと、第１中継アーム４ｃ先端の第３軸Ａ３を中心に回動可能な第２中継アーム４ｄと、第２中継アーム４ｄ先端の第４軸Ａ４を中心に回動可能な第３中継アーム４ｅと、第３中継アーム４ｅ先端の第５軸Ａ５を中心に回動可能な取付ユニット４ｆと、を備え、取付ユニット４ｆは、ここに取付けられた物品把持装置２を、自身の第６軸（図示しない）を中心に回動可能に構成されている。

なお、ロボットアーム４としては、上記した６軸ロボットに限定されることはなく、例えば、７軸或いは５軸以下のロボット、スカラロボット、ＸＹＺステージなどを適用することができる。また、図１〜図２では一例として、ロボットアーム４を定位置に固定させているが、これに限定されることはなく、例えば、リニアステージや自走台車に搭載させて移動可能としてもよい。

図１〜図６に示すように、物品把持装置２は、把持本体１０と、吸着機構１１と、挟持機構１２と、を有し、これらによって、把持対象物たる物品Ｐを吸着・挟持して把持可能に構成されている。
把持本体１０には、例えば、後述する各種駆動軸１７ａ,１７ｂ,２１、及び、当該駆動軸１７ａ,１７ｂ,２１に後述するサーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２の駆動力を伝達させる駆動力伝達機構（図示しない）などが内蔵されている。
なお、図１〜図６では一例として、直方体形状の把持本体１０が示されているが、これに限定されることは無く、例えば、直方体以外の多角形状や、その他のオーバル形状など、使用環境や使用目的に応じた形状を適用することができる。

吸着機構１１は、把持対象物たる物品Ｐを吸着可能に構成されている。吸着機構１１は、物品Ｐの複数箇所に吸着可能な複数の吸着パッド１１ｐを備えている。各吸着パッド１１ｐは、エアチューブ（図示しない）を介して図１３に示す真空システム１３に配管接続されている。図１３では、真空システム１３の一例として、圧力センサ１３ａ、バルブ１３ｂ、コンプレッサ１３ｃ、真空発生器１３ｄが示されている。即ち、吸着パッド１１ｐには、圧力センサ１３ａを介して真空発生器１３ｄが接続されていると共に、バルブ１３ｂを介してコンプレッサ１３ｃが接続されている。バルブ１３ｂは、例えば、３段階（第１〜第３状態）に切換可能に構成されている。

かかる構成によれば、バルブ１３ｂの第１状態において、コンプレッサ１３ｃから真空発生器１３ｄに圧縮空気を供給する。これにより、吸着機構１１（吸着パッド１１ｐ）に接触した物品Ｐを、負圧によって、当該吸着機構１１（吸着パッド１１ｐ）に吸着させることができる。

また、バルブ１３ｂの第２状態において、コンプレッサ１３ｃから吸着パッド１１ｐに圧縮空気を直接供給する。これにより、吸着パッド１１ｐの真空が破れることで大気圧となる。かくして、吸着機構１１（吸着パッド１１ｐ）から物品Ｐをリリースすることができる。

そして、バルブ１３ｂの第３状態において、コンプレッサ１３ｃを閉鎖させる。これにより、圧縮空気の供給が停止される。ここで、上記したバルブ１３ｂの切換動作や、真空発生器１３ｄのＯＮ／ＯＦＦ動作に際し、吸着パッド１１ｐの内部における空気圧は、圧力センサ１３ａによって測定され、測定結果は、制御装置５にフィードバックされる。

図３では一例として、９個の吸着パッド１１ｐが、等間隔に３個ずつ縦横に格子状に配列されている。吸着パッド１１ｐは、例えば、シリコンゴムなどの剛性の低い材料で構成することが好ましい。これにより、吸着パッド１１ｐは、物品吸着時において、物品Ｐの表面形状に沿って変形可能となるだけでなく、せん断力やモーメント力に対して、一定の強度を確保することが可能となる。

なお、吸着パッド１１ｐの個数や大きさ、配列は、例えば、物品把持システム１（物品把持装置２）の使用環境や使用目的に応じて設定されるため、ここでは特に限定しない。例えば、小型の物品Ｐであれば、吸着パッド１１ｐを１個だけ設定してもよい。吸着パッド１１ｐの配列も、図示した格子状に限らず、千鳥状や放射状にレイアウトしてもよい。更に、吸着パッド１１ｐに代えて、スポンジパッドを適用してもよい。

挟持機構１２は、上記した吸着機構１１を挟んで両側に設けられ、吸着した物品Ｐを両側（一方側、他方側）から挟み込んで支持可能に構成されている。かかる構成を実現するために、挟持機構１２は、挟持アーム１４ａ,１４ｂと、挟持プレート１５と、リンク機構１６と、を備えている。ここで、物品Ｐの一方側及び他方側は、相互に対峙した位置関係を有し、一方側の反対に他方側が規定されている。

図３〜図６に示すように、挟持アーム１４ａ,１４ｂは、把持本体１０に対して複数設けることができる。図３〜図６では一例として、２つの挟持アーム（第１挟持アーム１４ａ、第２挟持アーム１４ｂ）が、把持本体１０に対して回動可能に支持されている。挟持アーム１４ａ,１４ｂにおいて、その基端（即ち、アーム回動部）が把持本体１０に回動可能に連結され、その先端側（即ち、アーム部）が物品Ｐの一方側に接触可能に構成されている。この場合、挟持アーム１４ａ,１４ｂは、例えば、ウレタンゴムやシリコンゴムなどの弾性部材で構成することが好ましい。

第１挟持アーム１４ａの基端（アーム回動部）は、把持本体１０に内蔵された第１挟持アーム駆動軸１７ａ（図１３参照）に連結され、第１挟持アーム駆動軸１７ａは、サーボモータ１８ａによって回動制御されるようになっている。この場合、サーボモータ１８ａによる回動制御に際し、第１挟持アーム駆動軸１７ａに働くトルクが、トルクセンサ１９ａによって検出される。このとき、トルクセンサ１９ａから出力された検出結果は、制御装置５にフィードバックされる。これにより、第１挟持アーム１４ａの先端を、最適な圧力で、物品Ｐの一方側に接触させることができる。

第２挟持アーム１４ｂの基端（アーム回動部）は、把持本体１０に内蔵された第２挟持アーム駆動軸１７ｂ（図１３参照）に連結され、第２挟持アーム駆動軸１７ｂは、サーボモータ１８ｂによって回動制御されるようになっている。この場合、サーボモータ１８ｂによる回動制御に際し、第２挟持アーム駆動軸１７ｂに働くトルクが、トルクセンサ１９ｂによって検出される。このとき、トルクセンサ１９ｂから出力された検出結果は、制御装置５にフィードバックされる。これにより、第２挟持アーム１４ｂの先端を、最適な圧力で、物品Ｐの一方側に接触させることができる。

更に、双方の挟持アーム１４ａ,１４ｂ（アーム部）は、物品Ｐのコーナー部分を回避する方向に沿って湾曲させた形状を有している。換言すると、挟持アーム１４ａ,１４ｂは、先端と基端とを結ぶ直線上から外れた方向に湾曲させた湾曲部１４ｐを有している。なお、かかる湾曲形状は、あくまで一例であり、挟持対象である物品Ｐの形状や大きさなどによって、当該挟持アーム１４ａ,１４ｂを、任意の形状（例えば、矩形、三角形、円形）に変更させても良い。

この場合、挟持アーム１４ａ,１４ｂと、後述する挟持プレート１５との間で物品を挟持するプロセスにおいて、湾曲部１４ｐは、物品Ｐを把持する際に挟持プレート１５（具体的には、後述する接触平面１５ｓ）から離間する方向に湾曲して位置付けられる。これにより、かかる湾曲部１４ｐを物品Ｐのコーナー部分に干渉（接触）させること無く、挟持アーム１４ａ,１４ｂを、物品Ｐの一方側に接触させることができる。

ここで、上記したサーボモータ１８ａ,１８ｂは、自身のエンコーダによって、リアルタイムで高精度に回動状態（例えば、回動量、回動速度など）を検出することができる。この場合、当該サーボモータ１８ａ,１８ｂ、トルクセンサ１９ａ,１９ｂ、制御装置５が相互に協働することで、２つの挟持アーム１４ａ,１４ｂを、互いに、同一のタイミングで回動させたり、或いは、異なるタイミングで回動させたりすることができる。これにより、多種多様な物品Ｐに対する挟持アーム１４ａ,１４ｂの接触圧を、精度良く制御することができる。

図３〜図６に示すように、挟持プレート１５は、把持本体１０に対して回動可能に支持され、物品Ｐの他方側に面状に接触可能に構成されている。この場合、挟持プレート１５は、例えば、プレート部と、プレート回動部と、を備えている。プレート部は、物品Ｐの他方側に面状に接触させる。プレート回動部は、後述するリンク機構１６（駆動リンク部１６ａ、従動リンク部１６ｂ）によって、プレート部を、把持本体１０に対して回動可能に連結する。かくして、挟持プレートは、前記プレート回動部によって前記把持本体に回動可能に支持される。かかる構成において、プレート部（挟持プレート１５）を物品Ｐに面状に接触させることで、物品Ｐに対する把持本体１０の接触面積を向上させることができ、その結果、挟持安定性を一定に維持することができる。

更に、把持本体１０の底面（第１面）と、当該底面（第１面）に対向するプレート部（挟持プレート１５）の第２面は、共に、段差を有している。この場合、把持本体１０の底面（第１面）には、他の部位よりも矩形状に窪ませた段差面１０ｓが構成されている。一方、プレート部（挟持プレート１５）の第２面には、段差面１５ｐ、及び、後述する接触平面１５ｓが構成され、段差面１５ｐと接触平面１５ｓとは、段差面１０ｓを有する把持本体１０の底面形状（段差形状）に嵌合するように、高低差を有して構成されている。即ち、段差面１５ｐは、接触平面１５ｓよりも矩形状に突出させて構成されている。なお、段差面１５ｐは、後述するリンク機構１６（駆動リンク部１６ａ、従動リンク部１６ｂ）が回動可能に連結されるように構成されている。

図３では一例として、平坦状の接触平面１５ｓ及び段差面１５ｐを有する挟持プレート１５が示されているが、これに限定されることは無く、例えば、後述する接触平面１５ｓの一部或いは全部に凹凸形状を施してもよい。かかる凹凸を施すことで、接触平面１５ｓの挟持性能ないし挟持安定性を更に向上させることができる。

挟持プレート１５は、接触平面１５ｓと、検出センサ２０と、を備えている。接触平面１５ｓは、物品Ｐの他方側の面に対して平行かつ面状に接触可能に構成されている。検出センサ２０は、接触平面１５ｓに配置され、接触平面１５ｓと物品Ｐの他方側の面との接触状態を検出可能に構成されている。

検出センサ２０としては、例えば、市販の接触センサや光学センサを個別に、或いは、双方のセンサを組み合わせて適用することができる。接触センサでは、接触平面１５ｓに対する物品Ｐの接触の有無が検出される。光学センサでは、物品Ｐと接触平面１５ｓとの間の距離を光学的に測定することで、接触平面１５ｓに対する物品Ｐの接触の有無が検出される。

なお、挟持プレート１５の輪郭形状としては、矩形の平板状に代えて、例えば、楕円形や多角形など使用環境や使用目的に応じた輪郭形状を適用することができる。この場合、いずれの輪郭形状を適用しても、当該挟持プレート１５は、後述するリンク機構１６によって把持本体１０に回動可能に支持されている。

図３〜図６に示すように、プレート回動部、即ち、リンク機構１６は、上記した挟持プレート１５の両側に、段差面１５ｐを挟むように、一対のリンク部（駆動リンク部１６ａ、従動リンク部１６ｂ）を互いに平行に配置させて構成されている。各リンク部１６ａ,１６ｂは、互いに同一の輪郭及び長さを有している。図３〜図６では一例として、リンク部１６ａ,１６ｂは、真っ直ぐに伸びた棒状の輪郭を有し、一端が挟持プレート１５に回動可能に連結され、他端が把持本体１０に回動可能に連結されている。

更に、挟持プレート１５の両側において、それぞれ、１つの平行リンク機構が構成されている。平行リンク機構は、把持本体１０と、挟持プレート１５と、一対のリンク部１６ａ,１６ｂと、によって構成されている。これにより、挟持プレート１５は、物品Ｐの他方側の面に対して平行な位置関係を維持しつつ、当該物品Ｐの他方側の面に向けて回動可能となっている。

ここで、一対のリンク部１６ａ,１６ｂにおいて、一方のリンク部（即ち、駆動リンク部１６ａ）の他端は、把持本体１０に内蔵された平行リンク駆動軸２１（図１３参照）に連結され、平行リンク駆動軸２１は、サーボモータ２２によって回動制御されるようになっている。なお、一対のリンク部１６ａ,１６ｂにおいて、他方のリンク部（即ち、従動リンク部１６ｂ）の他端は、把持本体１０に回動自在に支持されている。

この場合、サーボモータ２２による回動制御に際し、平行リンク駆動軸２１に働くトルクが、トルクセンサ２３によって検出される。このとき、トルクセンサ２３から出力された検出結果は、制御装置５にフィードバックされる。これにより、駆動リンク部１６ａが、その他端を中心に回動し、これに追従して、挟持プレート１５及び従動リンク部１６ｂが回動する。この結果、挟持プレート１５（接触平面１５ｓ）を、物品Ｐの他方側の面に向けて平行に接近させることができる。

ここで、上記したサーボモータ２２は、自身のエンコーダによって、リアルタイムで高精度に回動状態（例えば、回動量、回動速度など）を検出することができる。この場合、当該サーボモータ２２、トルクセンサ２３、制御装置５が相互に協働することで、上記した挟持プレート１５を、最適なタイミングで回動させることが可能に構成される。これにより、多種多様な物品Ｐに対する挟持プレート１５（接触平面１５ｓ）の接触圧を、精度良く制御することができる。

次に、物品把持システム１の主動作について、図１４〜図１７を参照して説明する。
集積領域に配置された物品収容器７の内部を、物品検出装置３によって撮影する（図１４のＳ１）。このとき、物品検出装置３から画像データが出力され、認識部８は、画像データに画像処理を施す（図１４のＳ２）。これにより、例えば、物品収容器７の内部における物品Ｐの有無、物品Ｐの収容状態（積み重ね態様や角度など）が検出される。

ここで、物品収容器７の内部に物品Ｐが無かった場合（図１４のＳ３）、制御装置５は、認識部８からの出力信号に基づいて、画像処理を終了させる。
これに対して、物品収容器７の内部に物品Ｐが有った場合（図１４のＳ３）、認識部８は、画像データ中に含まれる複数の物品Ｐを、個別に切り分けた後（図１４のＳ４）、予め設定した基準に基づいて、切り分けた物品Ｐの中から１つの物品Ｐを選択する（図１４のＳ５）。かくして、把持対象が特定される。

予め設定した基準の判定基準としては、特に限定しないが、例えば、最も高い位置にあるもの、ロボットアーム４から見て最も手前にあるもの、他の物品Ｐとの間に十分な隙間があるもの、物品収容器７の中央に近いもの、データベース上で予め把持し易いと規定されているものなどが想定される。

続いて、認識部８において、再度画像処理が行われることで、特定した物品Ｐ（把持対象）の状態が把握される（図１４のＳ６）。物品の状態としては、例えば、当該物品Ｐについての形状、大きさ、位置、姿勢、３Ｄカメラから各物品Ｐまでの距離などが想定される。
このとき、認識部８から制御装置５に、特定した物品Ｐの状態に関するデータが送信され、制御装置５は、当該データに基づいて、ロボットアーム４や物品把持装置２の動作を計画して制御する。

先ずは、予め設定した判定基準に基づいて、特定した物品Ｐが、吸着可能か否かを判定する（図１４のＳ７）。判定基準としては、例えば、物品表面の凹凸の程度や、曲率の大きさなどが想定される。判定方法の一例として、全ての吸着パッド１１ｐが吸着できるだけの平面が、物品Ｐの上面ないし側面にあれば吸着可能と判定し、そうでなければ、吸着不可能と判定する。

次に、制御装置５は、特定した物品Ｐの上方（鉛直方向）から吸着して把持することが可能か否か判定する（図１４のＳ８）。このとき、図１に示すように吸着可能な面が上方（鉛直方向）にある場合、制御装置５は、上面から吸着して把持する制御を計画・実行する（図１４のＳ９）。

これに対して、図２に示すように特定した物品Ｐの吸着可能な面が側方（水平方向）にある場合、制御装置５は、側面から吸着して把持する制御を計画・実行する（図１４のＳ１０）。なお、プロセスＳ９〜Ｓ１０の各動作（上面吸着把持動作、側面吸着把持動作）については、図１５〜図１６を参照して後述する。

一方、特定した物品Ｐが、吸着できない形状である場合、制御装置５は、例えば、吸着動作を行うこと無く、物品Ｐを挟持により把持する制御を計画・実行する（図１４のＳ１１）。
この後、プロセスＳ９〜Ｓ１１の動作を行うために、制御装置５は、ロボットアーム４の制御を行う（図１４のＳ１２）。当該動作において、物品把持装置２によって把持された物品Ｐは、ロボットアーム４の動作に追従して、例えば、図１〜図２に示すように、物品収容器７からベルトコンベア２４に移される。

このとき、制御装置５は、物品Ｐをベルトコンベア２４にリリースする制御を計画・実行する（図１４のＳ１３）。なお、当該プロセスＳ１３のリリース動作については、後述する（図１７参照）。

そして、リリース動作の完了後、制御装置５は、物品把持装置２を初期状態に復帰させる（図１４のＳ１４）。初期状態としては、例えば、図１〜図２、図７〜図８に示すように、挟持アーム１４ａ,１４ｂ及び挟持プレート１５を、把持本体１０に沿って格納した状態が想定される。
以上、上記したプロセスＳ１〜Ｓ１４を繰り返すことで、物品収容器７に収容された全ての物品Ｐがベルトコンベア２４に移される。

ここで、上面吸着把持動作について、図１５を参照して説明する。
まず、制御装置５は、ロボットアーム４の動作を制御する（図１５のＳ９−１）。このとき、図１に示すように、物品収容器７の内部の各物品Ｐに対して、物品把持装置２を、上方（鉛直方向）から接近させて把持させる制御が行われる。

次に、制御装置５は、物品把持装置２を図３に示すような把持待機姿勢となるように制御する（図１５のＳ９−２）。例えば、サーボモータ２２を駆動することで、平行リンク機構（把持本体１０、挟持プレート１５、一対のリンク部１６ａ,１６ｂ）、及び、２つの挟持アーム１４ａ,１４ｂを変位させる。

図３では一例として、一対のリンク部１６ａ,１６ｂを鉛直下方に展開させると共に、双方の挟持アーム１４ａ,１４ｂを鉛直上方に展開させている。これにより、物品収容器７、及び、他の物品Ｐに接触させること無く、物品把持装置２（即ち、吸着機構１１）を、特定した物品Ｐ（把持対象）に接近させて吸着させることができる。

ここで、特定の物品Ｐに吸着機構１１（即ち、吸着パッド１１ｐ）を接触させた状態において、制御装置５は、図１３の真空システム１３のバルブ１３ｂを、第１状態に切り替える（図１５のＳ９−３）。バルブの第１状態において、コンプレッサ１３ｃから真空発生器１３ｄに圧縮空気が供給される。このとき、吸着パッド１１ｐが負圧に引かれ、その結果、吸着パッド１１ｐに物品の上面を吸着させることができる。

この後、制御装置５は、上記した検出センサ２０の出力を監視しながら、挟持プレート１５（即ち、接触平面１５ｓ）を特定の物品Ｐに接近させるように、ロボットアーム４の動作を制御する（図１５のＳ９−４）。そして、検出センサ２０の出力がＯＮ（接触状態）になったとき（図１５のＳ９−５）、ロボットアーム４の動作を停止させる。

次に、制御装置５は、図１３の真空システム１３の圧力センサ１３ａの出力を監視しながら、吸着機構１１（即ち、吸着パッド１１ｐ）を特定の物品Ｐに接触させるように、ロボットアーム４の動作を制御する（図１５のＳ９−６）。

そして、吸着パッド１１ｐを物品Ｐに接触させた状態において、圧力センサ１３ａの出力がＯＮ（接触状態）になったとき（図１５のＳ９−７）、制御装置５は、最適な圧力（吸着圧力）で、特定の物品Ｐが吸着パッド１１ｐに吸着されたものと判定する。

ここで、吸着パッド１１ｐに特定の物品Ｐを吸着させた状態において、更に、制御装置５は、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を制御して、各種駆動軸１７ａ,１７ｂ,２１を動作させる（図１５のＳ９−８）。これにより、特定した物品Ｐの両側が、挟持機構１２（挟持アーム１４ａ,１４ｂ、挟持プレート１５）によって挟持される。

このとき、制御装置５は、トルクセンサ１９ａ,１９ｂ,２３の出力をチェックしつつ（図１５のＳ９−９）、かかる出力値が、予め設定した閾値以上となるまで、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を制御する（図１５のＳ９−１０〜Ｓ９−１１）。ここで、挟持力の程度によっては物品Ｐが変形する場合、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を逆回動制御する。そして、当該出力値が、予め設定した閾値以上となったとき、挟持完了と判定する。

続いて、側面吸着把持動作について、図７〜図１０、図１６を参照して説明する。
まず、制御装置５は、ロボットアーム４の動作を制御する（図１６のＳ１０−１）。このとき、図２に示すように、物品収容器７の内部の各物品Ｐに対して、物品把持装置２を、側方（水平方向）から接近させて把持させる制御が行われる。この間、物品把持装置２は、例えば、図１〜図２、図７〜図８に示すような初期状態に維持されている。

次に、制御装置５は、物品把持装置２を初期状態に制御しつつ（図１６のＳ１０−２）、当該物品把持装置２（即ち、吸着機構１１）を、特定した物品Ｐ（把持対象）の側面（図７参照）に接近させて吸着させる（図１６のＳ１０−３）。
そして、吸着パッド１１ｐを物品Ｐに接触させた状態において、圧力センサ１３ａの出力が、予め設定した閾値を下回ったとき（図１６のＳ１０−４）、制御装置５は、特定の物品Ｐが吸着パッド１１ｐに吸着されたものと判定する。

ここで、吸着パッド１１ｐに特定の物品Ｐを吸着させた状態において、制御装置５は、図８に示す如く当該物品Ｐを引き出すように、ロボットアーム４の動作を制御する（図１６のＳ１０−５）。物品の引き出しとしては、例えば、特定の物品Ｐを、予め設定された距離だけ、ロボットアーム４に向けて引き出す仕様を想定することができる。この場合、物品Ｐの引出距離は、引き出された当該物品Ｐが落下しない程度に設定される。

具体的に説明すると、特定の物品Ｐを引き出す際に、当該物品Ｐの大きさや奥行きが明らかな場合、その大きさや奥行きを基に設定する。ここで、当該物品Ｐの大きさや奥行きは、認識部８での処理の結果から得ても良いし、予め物品Ｐの情報を登録したデータベースから参照しても良い。
当該物品Ｐの大きさや奥行きなどが事前に判明していない場合、当該物品Ｐを落下させる虞がある。特に、複数の物品Ｐが整然と積まれている状態において、各物品Ｐの奥行き方向寸法を把握することは困難な場合がある。

そこで、例えば、最初に短い距離だけ物品Ｐを引き出した後、再度、当該物品Ｐを見直すプロセスを実行する。これにより、物品相互に隙間が構成されるため、物品Ｐの大きさや奥行きなどを正確に把握することができる。この結果、当該物品Ｐを、落下させること無く、予め設定された距離だけ引き出すことができる。予め設定された距離は、例えば、把握した物品Ｐの奥行の３０％に相当する距離としても良い。

この状態において、制御装置５は、真空システム１３のバルブ１３ｂ（図１３参照）を、第２状態に切り替える（図１６のＳ１０−６）。バルブ１３ｂの第２状態において、コンプレッサ１３ｃから吸着パッド１１ｐに圧縮空気が直接供給される。このとき、吸着パッド１１ｐが大気圧状態に戻され、その結果、物品Ｐに対する吸着パッド１１ｐの吸着状態が解除される。

この後、制御装置５は、物品把持装置２を物品Ｐから離間（後退）させるように、ロボットアーム４の動作を制御した後（図１６のＳ１０−７）、物品把持装置２を把持待機姿勢（図３参照）となるように制御する（図１６のＳ１０−８）。

次に、制御装置５は、真空システム１３のバルブ１３ｂ（図１３参照）を、上記した第１状態に切り替えた後（図１６のＳ１０−９）、上記した検出センサ２０の出力を監視しながら、挟持プレート１５（接触平面１５ｓ）を特定の物品Ｐに接近させるように、ロボットアーム４の動作を制御する（図１６のＳ１０−１０）。そして、検出センサ２０の出力がＯＮ（接触状態）になったとき（図１６のＳ１０−１１）、例えば、図９に示すように、ロボットアーム４の動作を停止させる。

続いて、制御装置５は、図１３の真空システム１３の圧力センサ１３ａの出力を監視しながら、吸着機構１１（吸着パッド１１ｐ）を特定の物品Ｐに接触させるように、ロボットアーム４の動作を制御する（図１６のＳ１０−１２）。

そして、吸着パッド１１ｐを物品Ｐに接触させた状態において、圧力センサ１３ａの出力が、予め設定した閾値を上回ったとき（図１６のＳ１０−１３）、制御装置５は、特定の物品Ｐが吸着パッド１１ｐに吸着されたものと判定する。

ここで、吸着パッド１１ｐに特定の物品Ｐを吸着させた状態において、制御装置５は、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を制御して、各種駆動軸１７ａ,１７ｂ,２１を動作させる（図１６のＳ１０−１４）。これにより、特定した物品Ｐの両側が、挟持機構１２（挟持アーム１４ａ,１４ｂ、挟持プレート１５）によって挟持される（図１０参照）。

このとき、制御装置５は、トルクセンサ１９ａ,１９ｂ,２３の出力をチェックしつつ（図１６のＳ１０−１５）、かかる出力値が、予め設定した閾値以上となるまで、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を制御する（図１６のＳ１０−１６〜Ｓ１０−１７）。ここで、挟持力の程度によっては物品Ｐが変形する場合、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を逆回動制御する。そして、当該出力値が、予め設定した閾値以上となったとき、挟持完了と判定する。

続いて、リリース動作について、図１１〜図１２、図１７を参照して説明する。
上面吸着把持動作、及び、側面吸着把持動作のいずれのプロセスを経た場合でも、物品Ｐは、吸着機構１１で吸着された部位を挟んで、その両側が挟持機構１２によって挟持された状態（即ち、吸着把持状態）となる。そして、かかる吸着把持状態を維持しつつ、例えば、図１１〜図１２に示すように、物品Ｐは、物品収容器７からベルトコンベア２４に移される。

ここで、制御装置５は、物品Ｐをベルトコンベア２４にリリースする制御を計画・実行する。まず、制御装置５は、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を駆動することで、挟持機構１２（挟持アーム１４ａ,１４ｂ、挟持プレート１５）による挟持状態を解除させる（図１７のＳ１３−１）。

次に、制御装置５は、図１３の真空システム１３のバルブ１３ｂを、第２状態に切り替えて（図１７のＳ１３−２）、物品Ｐに対する吸着パッド１１ｐの吸着状態を解除させる。
この状態において、圧力センサ１３ａの出力が、予め設定した閾値を上回っていないとき（図１７のＳ１３−３）、制御装置５は、物品Ｐが吸着パッド１１ｐから剥がれていないものと判定し、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を駆動することで、挟持機構１２を変位させる（図１７のＳ１３−４）。

挟持機構１２の変位の一例として、挟持アーム１４ａ,１４ｂ及び挟持プレート１５のいずれか一方を、物品Ｐに向けて展開させる。このとき、当該物品Ｐは、吸着パッド１１ｐから離間する方向に押し出される。これにより、当該物品Ｐを吸着パッド１１ｐから剥がすことができる。この結果、物品Ｐをベルトコンベア２４に移すことができる。

一方、圧力センサ１３ａの出力が、予め設定した閾値を上回っているとき（図１７のＳ１３−３）、制御装置５は、物品Ｐが吸着パッド１１ｐから剥がれているものと判定する。このとき、物品Ｐは、ベルトコンベア２４に移されている。

いずれのプロセスを経た場合においても、制御装置５は、物品把持装置２を物品Ｐから離間させるように、ロボットアーム４の動作を制御する（図１７のＳ１３−５）。かくして、リリース動作が完了する。

次に、上記した一実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、吸着機構１１に物品Ｐを吸着させつつ、当該物品Ｐの両側（一方側、他方側）を挟持機構１２によって挟持する仕様において、挟持機構１２は、物品Ｐの一方側に接触可能な挟持アーム１４ａ,１４ｂと、物品Ｐの他方側に面状に接触可能な平板状の挟持プレート１５と、を備える。これにより、把持動作への追従性及び応答性を一定に維持しつつ、把持対象物たる物品Ｐに対する接触面積を大きくすることができ、その結果、当該物品Ｐを安定して把持することができる。

本実施形態によれば、物品Ｐを、上方（鉛直方向）だけで無く、側方（水平方向）から把持することができる。これにより、小回りの利いた物品把持システム１を構築することができる。具体的には、高く積まれた物品Ｐを荷降ろしする作業を想定したときに、長大なロボットアームを使用する必要がなく、より小型な（即ち、安価で据え付けが容易な）システムを実現できる。更に、把持方向の拡張により、後行程を考慮した把持が可能となる。例えば、荷積み作業において、物品Ｐの姿勢を変えながら積み込むことができる。

本実施形態によれば、物品Ｐを、例えば、図１１〜図１２に示すように、物品収容器７からベルトコンベア２４に移すまでの間、当該物品Ｐは、吸着機構１１の吸着力Ｆ１１、及び、挟持機構１２の挟持力Ｆ１２によって把持される。このとき、挟持プレート１５とリンク部１６ａ,１６ｂとは、互いに直交した位置関係に維持される。かかる位置関係において、挟持プレート１５に働く垂直抗力については、上記した平行リンク機構の剛性によって耐える構造となる。これにより、特に重量物の表面を吸着する際、重力Ｇを受けるトルクが不要となり、その結果、モータ出力を低減することができるため、物品把持装置２の小型軽量化を図ることもできる。

この場合、平行リンク機構には、挟持プレート１５の先端を支点としたモーメント荷重ＭＧが作用するが、当該モーメント荷重ＭＧに対しては、吸着機構１１による吸着力Ｆ１１によって対向することができる。かかる効果は、例えば、挟持プレート１５とリンク部１６ａ,１６ｂとが、互いに直交した位置関係（交差角度＝９０°）にある状態で、最大かつ効率的に発揮される。

なお、挟持プレート１５とリンク部１６ａ,１６ｂとの交差角度が９０°以下の場合、挟持プレート１５を物品Ｐに接触させる接触面積が小さくなる。この状態は、周囲の障害物を回避し易いといった利点はあるが、把持状態の安定性という観点から見れば不利である。このため、例えば図３に示す把持待機姿勢において、挟持プレート１５とリンク部１６ａ,１６ｂとの交差角度は、９０°に設定することが好ましい。そして、挟持プレート１５が、周囲の障害物に干渉しそうな場合、交差角度を例えば７０°〜９０°に変位させればよい。

本実施形態によれば、把持本体１０の底面１０ｓの段差形状に嵌合するように、挟持プレート１５に接触平面１５ｓ及び段差面１５ｐを構成する。これにより、例えば、図８から図９の状態に移行する際に、リンク部１６ａ,１６ｂの動きを制限することなく挟持プレート１５を物品Ｐに滑り込ませることができる。この結果、物品Ｐに対する把持本体１０の接触面積を向上させ、挟持安定性を一定に維持することができる。

以下、本発明の変形例に係る把持技術について説明する。
上記した一実施形態では、第１挟持アーム１４ａと第２挟持アーム１４ｂを、それぞれ個別のサーボモータ１８ａ,１８ｂによって駆動させているが、これに代えて、双方の挟持アーム１４ａ,１４ｂの駆動軸１７ａ,１７ｂを共通化させてもよい。これにより、サーボモータの数を減らすことができ、その結果、物品把持装置２の低コスト化及び軽量化を同時に図ることができる。

上記した一実施形態では、双方の挟持アーム１４ａ,１４ｂは、各駆動軸１７ａ,１７ｂを除いて自由度の無い構造となっているが、これに代えて、例えば、各挟持アーム１４ａ,１４ｂのいずれか又は両方を２つに分割し、その分割ケ所に、駆動軸１７ａ,１７ｂからワイヤプーリ機構或いはベルトプーリ機構を介して駆動を受けて従動する劣駆動軸を設けてもよい。これにより、各挟持アーム１４ａ,１４ｂの先端（指先）が描く軌道の自由度を向上させることができる。

上記した一実施形態では、双方の挟持アーム１４ａ,１４ｂの駆動軸１７ａ,１７ｂを直線駆動させる仕様を想定したが、これに代えて、減速機構を介在させてもよい。これにより、挟持タイミングの自由度を向上させることができる。この場合、平行リンク機構を介して挟持アーム１４ａ,１４ｂを回動させる構造としてもよい。

上記した一実施形態では、サーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２を用いて、挟持機構１２（挟持アーム１４ａ,１４ｂ、挟持プレート１５）や平行リンク機構を駆動させているが、これに代えて、例えば、リニアモータやボールねじ、或いは、ＤＣモータやブラシレスＤＣモータを用いてもよい。更に、エンコーダもサーボモータ１８ａ,１８ｂ,２２に内蔵させる代わりに、外部に取付けてもよい。

上記した一実施形態では、吸着機構１１（吸着パッド１１ｐ）への真空供給の仕様について、具体的に言及しなかったが、例えば、複数の配管系を介して吸着パッド１１ｐに真空供給してもよいし、１つの配管系から吸着パッド１１ｐに真空供給してもよい。この場合、吸着パッド１１ｐの上流にスロットルバルブを設けることで、流量変化を抑制してもよい。これにより、開放された吸着パッド１１ｐからのエアリークを減少させることができ、小さな物品Ｐや吸着面の曲率が大きな物品を吸着把持するときにも真空圧を高く保つことができる。スロットルバルブは、全ての吸着パッド１１ｐに設けてもよいし、一部だけに設けてもよい。例えば、複数の吸着パッド１１ｐの周囲のみにスロットルバルブを設けた構造を想定すると、中央部分の真空圧を一定に確保しつつ、周囲の吸着パッド１１ｐからのエアリークを減少することができ、その結果、物品Ｐを安定的に吸着することができる。

上記した一実施形態では、圧力センサ１３ａを用いて、吸着機構１１（吸着パッド１１ｐ）の吸着状態を検出しているが、これに代えて、流量センサを用いてもよいし、圧力センサ及び流量センサの双方を用いてもよいし、或いは、他の光学的なセンサを組み合わせてもよい。例えば、把持本体１０に光学センサを取付けて、吸着方向に沿った物品Ｐまでの距離を測定する。そして、測定した距離に基づいて、吸着パッド１１ｐが自然長以下になったかどうかで吸着状態を検出する。

上記した一実施形態では、上面吸着把持、側面吸着把持、挟持把持の３つのプロセスを示したが、本発明の把持技術は、これ以外の把持仕様を適用することができることは言うまでもない。例えば図１〜図２、図７〜図８の初期姿勢のまま吸着機構１１だけを用いて把持してもよい。また、吸着機構１１で物品Ｐを吸着しつつ、交差角度９０°以上となった平行リンク機構と、挟持アーム１４ａ,１４ｂとで物品Ｐを挟持してもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…物品把持システム、２…物品把持装置、３…物品検出装置、４…ロボットアーム、
５…制御装置、１０…把持本体、１１…吸着機構、１２…挟持機構、
１４ａ…第１挟持アーム、１４ｂ…第２挟持アーム、１５…挟持プレート。

Claims (8)

1. 把持本体と、
   把持対象物たる物品を吸着して支持する吸着機構と、
   前記吸着機構を挟んで両側に配置され、吸着した前記物品を両側から挟み込んで挟持する挟持機構と、を有し、
   前記挟持機構は、
   前記物品の一方側に接触させるアーム部、及び、前記アーム部を前記把持本体に回動可能に連結させるアーム回動部を有する挟持アームと、
   前記物品の他方側に接触させるプレート部、及び、前記プレート部を前記把持本体に対して回動可能に連結するプレート回動部を有する挟持プレートと、を備える物品把持装置。
2. 前記挟持アームは、前記把持本体に複数設けられている請求項１に記載の物品把持装置。
3. 前記挟持アームは、湾曲形状を有している請求項１又は２に記載の物品把持装置。
4. 前記把持本体の前記プレート部に対向する第１面は、段差を有し、
   前記第１面に対向する前記プレート部の第２面は、前記第１面の段差形状に嵌合するように構成されている請求項１又は２に記載の物品把持装置。
5. 前記挟持プレートは、前記プレート回動部によって、前記把持本体に回動可能に支持され、
   前記プレート回動部は、一端が前記挟持プレートに回動可能に連結され、他端が前記把持本体に回動可能に連結された一対のリンク部を、前記挟持プレートの両側に互いに平行に配置させて構成されている請求項１に記載の物品把持装置。
6. 前記挟持プレートは、
   前記物品の他方側と接触する面に、前記物品との接触を検出する検出センサを備える請求項１に記載の物品把持装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の前記物品把持装置と、
   前記物品を検出する物品検出装置と、
   前記物品把持装置を取付可能に構成され、前記物品検出装置の検出結果に基づいて、前記物品把持装置を、前記物品に対して接近或いは離間させるロボットアームと、
   前記ロボットアーム及び前記物品把持装置の動作を制御する制御装置と、を有する物品把持システム。
8. 前記制御装置は、前記物品検出装置の検出結果に基づいて、前記物品に対して上方から前記物品把持装置を接近させて把持させる制御、及び、前記物品に対して側方から前記物品把持装置を接近させて把持させる制御を行うことが可能な請求項７に記載の物品把持システム。

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